藥用天然產(chǎn)物的生物合成-紅霉素的生物合成與衍生物的研究進(jìn)展

1、紅霉素的生物合成與衍生物的研究進(jìn)展 崔小清 微生物與生化藥學(xué) 21140811040摘要 紅霉素及其衍生物屬于大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，近年來作為抗菌藥物被廣泛使用在臨床、養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)業(yè)中。作為抗生素類生物合成的一種模式化合物，本文對(duì)紅霉素的生物合成機(jī)制和紅霉素衍生物的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，并對(duì)其前景作了展望。 Biosynthesis of Erythromycin and Research progress of its DerivativesAbstract Erythromycin and its Derivatives are belong to macrolide antibiot ics,

2、recently, they,as Antimicrobial agents, are Widely used in clinical, aquaculture and agriculture. Being a model compound of antibiotic biosynthesis, research progress on erythromycin biosynthesis mechanism and erythromycin derivatives were reviewed, and the prospects were studied. 紅霉素( erythromycin)

3、 作為人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)大環(huán)內(nèi)酯類抗菌藥物，它的臨床應(yīng)用可追溯到 20世紀(jì)50 年代，紅霉素等大環(huán)內(nèi)酯類抗生素主要用于治療由革蘭氏陽性菌引起的多種感染，不良反應(yīng)為對(duì)消化道的刺激作用1，在臨床和畜用上都具有良好的治療效果，屬人畜共用藥物，由于紅霉素在動(dòng)物體內(nèi)代謝時(shí)間較長，因此不可避免地在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生殘留，其毒、副作用給人蓄帶來危害2。對(duì)紅霉素類抗生素的分析一直是藥物分析中令人注目的研究課題，因此，自紅霉素問世以來，紅霉素衍生物的研究一直是抗菌藥物研究的重要領(lǐng)域之一。霉素最早于 1952 年從紅色糖多孢菌(Saccharopolyspora erythraea)，當(dāng)時(shí)命名為紅霉素鏈霉菌（Strept

4、omyces erythreus)的發(fā)酵產(chǎn)物里分離得到。紅霉素 A是發(fā)酵液的主要產(chǎn)物, 結(jié)構(gòu)上由一個(gè)十四元環(huán)內(nèi)酯及在大環(huán)內(nèi)酯上接合兩個(gè)糖基組成.目前關(guān)于紅霉素的生物化學(xué)方面的研究有許多報(bào)道，包括生物合成途徑的闡明、關(guān)鍵酶結(jié)構(gòu)的鑒定和催化機(jī)制的推導(dǎo)，以及產(chǎn)生菌的全基因組測(cè)序等，這為紅霉素的組合生物合成提供了豐富的理論基礎(chǔ)。也正因?yàn)槿绱?，紅霉素成為當(dāng)今組合生物合成研究最為熱點(diǎn)的模式化合物。由于大部分天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，采用化學(xué)方法進(jìn)行合成或結(jié)構(gòu)修飾往往非常困難3，近年來發(fā)展的組合生物合成(Combinatorial biosynthesis)技術(shù)為復(fù)雜天然產(chǎn)物及其類似物的獲得提供了一條生物合成

5、的方法，本文綜述了近年來紅霉素生物合成機(jī)制的相關(guān)研究以及其組合生物合成取得的進(jìn)展。1 紅霉素的生物合成4-5紅霉素的生物合成包括2 個(gè)方面：大環(huán)內(nèi)酯環(huán)的合成（見圖1）和大環(huán)內(nèi)酯環(huán)的后修飾（見圖2）。1. 1 大環(huán)內(nèi)酯環(huán)( 6-deoxyery thronolide B, 6- dEB)的合成6- dEB的生物合成是由丙酸和甲基丙二酸在復(fù)合酶系多酮合成酶( poly- ketide synthase, P KS) 的催化作用下，經(jīng)縮合、酮還原、脫水和烯還原等多輪循環(huán)完成的。DEBS 由 DEBS1、DEBS2 和DEBS3 三條肽鏈組成。DEBS的 3 條肽鏈每個(gè)都含有兩套結(jié)構(gòu)和功能相近的酶域(

6、 domain)，每套酶域稱為一個(gè)模塊（module，M) , 每個(gè)M催化完成一輪碳鏈的延伸和還原，每個(gè)模塊都有 3 個(gè)基本酶域。在 DEBS1 的 N 端有一個(gè)由 AT 和 ACP 組成的1 個(gè)起始模塊( loading domain, LD)，負(fù)責(zé)選擇和結(jié)合起始單元第一個(gè)小分子羧酸；在DEBS3 的羥基端有一個(gè)硫酯酶酶域( t hioesterase,TE)，負(fù)責(zé)將合成的長鏈脂肪酸從 P KS 上水解下來，并與 PKS 的其它部位共同作用，將產(chǎn)物環(huán)化成一個(gè)十四元環(huán)的化合物6-脫氧紅霉內(nèi)酯6。6- dEB的合成首先通過LD中的AT0特異性識(shí)別丙酰輔酶A，將其轉(zhuǎn)移到ACP0上作為合成的起始單元

7、。隨后起始單元被轉(zhuǎn)移到module1的KS1上，同時(shí)module1的 AT1特異識(shí)別甲基丙二酸單酰輔酶 A 為底物并將其轉(zhuǎn)移到module1的ACP1上。在 ACP1上 KS1催化起始單元丙?；c延伸單元物甲基丙二酸單?；s合形成-酮完成第一輪延伸。其它 5 個(gè)module采用類似的機(jī)理依次線性完成縮合，最終形成一個(gè)十四碳骨架的單元鏈。在 DEBS3 的羥基端TE作用下，將合成的長鏈脂肪酸從 PKS 上水解下來并環(huán)化形成一個(gè)十四元環(huán)的化合物6- dEB。1. 2對(duì)大環(huán)內(nèi)酯環(huán)的結(jié)構(gòu)修飾 6- dEB的后修飾首先是通過EryF在C-6 位接上一個(gè)羥基形成紅霉內(nèi)酯(erythronolide B，E

8、B, 7)，在C-3 羥基的位置上由EryBV連接上一個(gè) L-碳霉糖(mycarose)形成3-O-碳霉糖基紅霉內(nèi)酯(erythronolide B, MEB, 8). 緊接著又通過EryCIII在C-5羥基的位置上連接一個(gè)D-德胺糖(desosamine)，從而形成紅霉素合成中間代謝產(chǎn)物中第一個(gè)有生物活性的Er-D。Er-D 在一個(gè)C-12 EryK的催化下合成Er-C，在EyG作用下在C-3的碳霉糖上加上一個(gè)甲基合成最終產(chǎn)物Er-A。此外，Er-D 也可以先在EryG的作用下在C-3 碳霉糖的糖基上得到一個(gè)甲基合成紅霉素 B，再通過EryK在C-12位置羥化合成紅霉素A。此條途徑催化效率較

9、低，為Er-A合成的副途徑 (圖 2)在紅霉素工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)酵液里有大量中間產(chǎn)物Er-B和Er-C 積累。Er-B 和Er- C 的抗菌活性要比Er- A 低，毒副作用卻比Er- A 大，在紅霉素工業(yè)生產(chǎn)過程中屬于很難除去但又必須除去的雜質(zhì)，將Er-B和Er-C高效率轉(zhuǎn)化為Er-A，為今后提高紅霉素的工業(yè)生產(chǎn)帶來了新的途徑。圖1 紅霉素 DEBS 蛋白的模塊組成圖 2 合成紅霉素 A 的后修飾步驟Figure 2 Post-PKS pathway in erythromycin A biosynthesis圖3 各類紅霉素的結(jié)構(gòu)2 紅霉素衍生物7為解決紅霉素衍生物的耐藥性問題，多家跨國制藥企業(yè)投

10、入巨資對(duì)紅霉素的化學(xué)修飾方法和紅霉素衍生物抗菌活性構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，先后設(shè)計(jì)并合成了酮內(nèi)酯(ketolide) 、酰內(nèi)酯( acylide) 和雙環(huán)內(nèi)酯（cyclolide）等不同類型的化合物以及紅霉素與其他抗菌藥物結(jié)構(gòu)片段的雜合物，希望從中發(fā)現(xiàn)具有抗耐藥性的紅霉素衍生物。2.1 酮內(nèi)酯(ketolide)泰利霉素（4）Sanofi-Aventis公司研制開發(fā)的第一個(gè)酮內(nèi)酯類藥物，3位上去除克拉定糖再轉(zhuǎn)化為酮羰基，11與12位間形成 N-取代噁唑烷酮環(huán)，并在 A 上引入4-(4-(3-吡啶基) -咪唑-1-基) -丁基側(cè)鏈，3位為羰基使泰利霉素( 4) 對(duì)耐藥細(xì)菌保持活性，11、1

11、2位的噁唑烷酮環(huán)及含雜環(huán)側(cè)鏈明顯提升了藥物與靶點(diǎn)的結(jié)合能力，使其抗菌作用大幅度增強(qiáng)。對(duì)多種細(xì)菌包括部分大環(huán)內(nèi)酯耐藥菌引起的肺炎!支氣管炎、扁桃體炎、咽炎和鼻竇炎等呼吸道疾病療效突出。隨著臨床應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)極少數(shù)患者使用該藥后出現(xiàn)肝功能衰竭等不良反應(yīng)，泰利霉素( 4) 的安全性問題尚需進(jìn)一步研究。隨著研究工作的不斷深入，一些結(jié)構(gòu)獨(dú)特的酮內(nèi)酯類化合物被合成出來，化合物 12 的11、12位羥基形成碳酸酯，9位成肟并連接含喹啉側(cè)鏈，該化合物在三維結(jié)構(gòu)上與泰利霉素近似，具有較強(qiáng)的抗耐藥菌活性，化合物13其突出的結(jié)構(gòu)特征是在5位氨基糖上的5位甲基上引入了苯甲酰氧基團(tuán)，該化合物的抗菌活性略優(yōu)于泰利霉

12、素(4) 泰利霉素( 4) 12 132酰內(nèi)酯是繼酮內(nèi)酯之后的又一類具有抗耐藥菌活性的紅霉素衍生物，Johnson& Johnson公司報(bào)道了一系列結(jié)構(gòu)更為新穎的酰內(nèi)酯類化合物，如化合物 14、15、16，在成功的經(jīng)驗(yàn)加以發(fā)展，這些化合物均具有與泰利霉素相當(dāng)?shù)目咕钚浴?4 15 163 雙環(huán)內(nèi)酯雙環(huán)內(nèi)酯是繼酮內(nèi)酯!酰內(nèi)酯之后的新類別的第三代大環(huán)內(nèi)酯類抗生素，2008年，Or課題組報(bào)道了不同系列的11、12位成3,6-噁唑酮環(huán)的雙環(huán)內(nèi)酯類化合物，并對(duì)其進(jìn)行了藥理活性研究，發(fā)現(xiàn)此類化合物的抑菌活性很高，尤其是17、18、19活性更為突出。17 18 19 目前以紅霉素A為基礎(chǔ)開發(fā)出來的第

13、二代紅霉素如阿齊霉素(2)、克拉霉素(3)、羅紅霉素(4)以及第三代紅霉素泰利霉素(5)等是臨床上廣泛使用的抗生素之一。這些對(duì)紅霉素進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾所產(chǎn)生的新一代藥物不僅能提高它的臨床療效， 甚至對(duì)原本紅霉素的抗菌譜也有較大的擴(kuò)展。顯然，對(duì)紅霉素進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造在新藥開發(fā)上具有巨大的潛力5。 隨著抗菌藥物的廣泛使用，耐藥細(xì)菌大量出現(xiàn)，紅霉素及第二代大環(huán)內(nèi)酯類抗生素對(duì)具有大環(huán)內(nèi)酯外排基因的細(xì)菌僅有微弱活性，而對(duì)具有紅霉素核糖體甲基化酶基因的細(xì)菌則完全喪失活性，為解決紅霉素衍生物的耐藥性問題，多家跨國制藥企業(yè)深入系統(tǒng)的研究，先后設(shè)計(jì)并合成了酮內(nèi)酯酰內(nèi)酯和雙環(huán)內(nèi)酯學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系以及消化道刺激作用產(chǎn)生的原因

14、等相繼被發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)了紅霉素類抗菌藥物研究的發(fā)展，與紅霉素相比，克拉霉素、阿奇霉素等第二代大環(huán)內(nèi)酯類抗生素藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)明顯改善，抗菌活性顯著提高，消化道不良反應(yīng)也有所下降，現(xiàn)已成為抗感染治療的一線藥物4?？鼓退幘钚约t霉素衍生物，第三代大環(huán)內(nèi)酯類抗生素的研究是目前抗感染創(chuàng)新藥物研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，開發(fā)難度頗高，酮內(nèi)酯研究十分活躍，受到多家跨國制藥企業(yè)的高度關(guān)注；以solithromycin為代表的氟酮內(nèi)酯類化合物被寄予厚望，發(fā)展?jié)摿薮?，目前已有酮?nèi)酯類藥物上市，而酰內(nèi)酯由于成藥性不夠理想，已經(jīng)退出臨床研究，其研發(fā)前景并不看好，雙環(huán)內(nèi)酯是第三代大環(huán)內(nèi)酯類抗生素中的后起之秀，蘊(yùn)含著

15、新的發(fā)展機(jī)遇，盡管 modithromycin的開發(fā)遇到一些挫折，但該類化合物結(jié)構(gòu)多樣性的潛力遠(yuǎn)未挖掘，構(gòu)效關(guān)系的系統(tǒng)研究也剛剛起步，隨著研究工作不斷深化和拓展，通過對(duì)雙環(huán)內(nèi)酯類化合物抗菌活性進(jìn)行深入研究，有望在此方面得到一些新的啟發(fā)和突破。雜合物也是第三代大環(huán)內(nèi)酯類抗生素研究的一個(gè)生長點(diǎn)，目前主要進(jìn)路是大環(huán)內(nèi)酯與喹諾酮雜合物，由于雜合物的作用機(jī)制尚未澄清，其發(fā)展過程還存在很多不確定因素，有待進(jìn)一步觀察，其他結(jié)構(gòu)類型的抗菌活性紅霉素衍生物的研究大多還處于摸索階段，成藥的前景并不明朗。參考文獻(xiàn)：1 NEU H C. Macrolides M. Paris: Amette Blackwell, 1993: 1-26.2 馬春宏, 李東影, 王仁章等. 紅霉素類抗生素分析研究進(jìn)展J. 長春師范學(xué)院學(xué)報(bào). 2008: 4(27). 62-65.3 Shen, B.; Liu, W.; Nonaka, K. Curr. Med. Chem. 2003, 10, 2317. 4 孫 艷, 周仁清, 吳 瓊. 紅霉素生物合